1 SKRIPSI PERANCANGAN ROBOT PEMADAM API MENGGUNAKAN KONTROL PID Oleh : Anto Oktavianto G1D 007 006 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BENGKULU 2014
1
SKRIPSI
PERANCANGAN ROBOT PEMADAM API
MENGGUNAKAN KONTROL PID
Oleh : Anto Oktavianto
G1D 007 006
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BENGKULU
2014
2
SKRIPSI
PERANCANGAN ROBOT PEMADAM API MENGGUNAKAN KONTROL PID
Diajukan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan
Pendidikan Tingkat Sarjana (S1)
Oleh :
Anto Oktavianto
G1D 007 006
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BENGKULU
2014
5
ABSTRAK
Musibah kebakaran yang sering terjadi telah menimbulkan banyak korban jiwa dan kerugian harta benda. Terdapat resiko yang ditanggung oleh tim kebakaran saat memadamkan api didalam suatu ruangan seperti tertimpa benda yang jatuh dari atap. Resiko tadi dapat dikurangi dengan robot pemadam api. Robot pemadam api dirancang menggunakan empat roda dan terdiri dari beberapa sensor, seperti Flame Detector untuk mendeteksi adanya api, sensor ultrasonik sebagai navigasi dan deteksi jarak dan kipas untuk memadamkan api. Sistem kontrol otomatis robot menggunakan metode PID dan sebagai navigasi dalam menyelusuri ruangan untuk mencapai keberadaan titik api. Hal yang ingin diperoleh dari perancangan robot pemadam api menggunakan kontrol PID adalah mendapatkan mobilitas yang baik dari robot pemadam api dalam hal menyelusuri ruangan dan dalam usaha menemukan titik api dan memadamkannya. Kata kunci : Flame Detector, PID kontroler, Robot api, Sensor Ultrasonik.
6
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT karena
atas rahmat, taufik dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan
judul “Perancangan Robot Pemadam Api Menggunakan Kontrol PID”. Selama
proses penyelesaian skripsi, penulis menyadari banyak ilmu dan pengalaman serta
dorongan dan doa yang diberikan kepada penulis. Pada kesempatan ini, penulis
ingin mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Bapak Dr. Ridwan Nurazi, S.E., M.Sc selaku Rektor Universitas Bengkulu
2. Bapak Khairul Amri,ST,.MT selaku Dekan Fakultas Teknik
3. Bapak Irnanda Priyadi, ST.,MT selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro
Universitas Bengkulu.
4. Ibu Anizar Indriani, ST.,MT selaku Pembimbing Akademik Teknik Elektro
5. Bapak Faisal Hadi, ST.,MT selaku Dosen Pembimbing I
6. Bapak Alex Surapati, ST.,MT selaku Dosen Pembimbing II
7. Bapak Indra Agustian, ST.,Meng selaku Dosen Penguji I
8. Bapak Khairul Amri Rosa, ST.,MT selaku Dosen Penguji II
9. Kedua orang tua penulis, terima kasih atas doa, perhatian, dukungan, kasih
sayang dan cintanya sehingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi
ini.
10. Kepada semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Semoga kebaikan hati bapak/ibu kiranya mendapatkan balasan yg setimpal
dari Allah SWT, Amin.
Bengkulu, Juni 2014
Penulis
7
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...........................................................................................i
LEMBAR PENGESAHAN...............................................................................ii
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN.......................................................iii
ABSTRAK.........................................................................................................iv
KATA PENGANTAR.......................................................................................v
DAFTAR ISI......................................................................................................vi
DAFTAR GAMBAR.........................................................................................ix
DAFTAR TABEL.............................................................................................xi
DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................xii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang.....................................................................................1
1.2 Rumusan Masalah................................................................................2
1.3 Batasan Masalah..................................................................................2
1.4 Tujuan Penelitian.................................................................................2
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Pustaka.................................................................................3
2.2 Dasar Teori..........................................................................................4
2.2.1 Pengertian Sistem Kontrol.....................................................4
2.2.2 Open-loop Control System.....................................................5
2.2.3 Close-loop Control System....................................................5
2.2.4 Aksi Kontrol Dasar................................................................7
2.2.4.1 Aksi Kontrol Proportional..........................................7
2.2.4.2 Aksi Kontrol Integral.................................................7
2.2.4.3 Aksi Kontrol Proportional + Integral.........................8
2.2.4.4 Aksi Kontrol Proportional + Derivative.....................8
2.2.4.5 Aksi Kontrol Proportional + Integral + Derivative....9
8
2.2.5 Mikrokontroler......................................................................10
2.2.5.1 Mikrokontroler AVR Atmega16...............................10
2.2.6 Sistem Gerak Robot..............................................................13
2.2.7 Arsitektur Robot...................................................................16
2.2.8 Motor DC..............................................................................17
2.2.9 Sensor Ultrasonik..................................................................19
2.2.10 Sensor Pendeteksi Api (Flame Detector)..............................20
2.2.11 LCD 16 x 2...........................................................................20
2.2.12 Bascom (Basic Compiler) AVR...........................................22
BAB 3 METODE PENELITIAN
3.1 Metode Penelitian............................................................................23
3.1.1 Tempat dan waktu penelitian..................................................23
3.1.2 Metode Pembuatan.................................................................23
3.1.3 Analisis Kinerja Robot Pemadam Api...................................23
3.1.4 Alat dan Bahan Penelitian......................................................23
3.1.5 Peralatan Pengujian................................................................24
3.1.6 Tahapan Penelitian.................................................................24
3.2 Rancangan Sistem.........................................................................24
3.2.1 Rancangan Bentuk Fisik Robot..............................................24
3.2.2 Rancangan Mekanik Robot....................................................25
3.2.3 Rancangan Elektronik Robot.................................................26
3.2.3.1 Rancangan Sistem Minimum Atmega16...................26
3.2.3.2 Rangkaian Driver Motor............................................27
3.2.3.3 Rangkaian LCD.........................................................28
3.2.4 Rancangan Perangkat Lunak..................................................28
3.2.5 Baterai....................................................................................29
3.2.6 Motor DC...............................................................................29
9
3.2.7 Sensor Flame Detector...........................................................30
3.2.8 Kipas......................................................................................31
3.2.9 Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04...............................................31
3.3 Flowchart.......................................................................................32
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengujian Rangkaian Flame Sensor..............................................35
4.2 Pengujian Rangkaian ADC...........................................................36
4.3 Pengujian Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04.....................................38
4.4 Pengujian PWM Terhadap Nilai Tegangan..................................41
4.5 Pengujian Nilai PID Terhadap Nilai PWM..................................42
4.6 Pengujian Kinerja Robot..............................................................45
BAB 5 PENUTUP
5.1 Kesimpulan....................................................................................46
5.2 Saran..............................................................................................46
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
10
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Sistem Kontrol PID..............................................................6
Gambar 2.2 Jenis Respon Keluaran.........................................................................9
Gambar 2.3 Arsitektur Mikrokontroler AVR........................................................11
Gambar 2.4 Konfigurasi Pin Mikrokontroler Atmega16.......................................12
Gambar 2.5 Mobile Robot Yang Bergerak Menggunakan Roda..........................13
Gambar 2.6 Sistem Gerak Differential Drive........................................................14
Gambar 2.7 Sistem Gerak Trycyle Drive..............................................................14
Gambar 2.8 Sistem Gerak Syncronous Drive.......................................................15
Gambar 2.9 Sistem Gerak Halonimic Drive.........................................................15
Gambar 2.10 Konfigurasi H-Bridge Mosfet.........................................................18
Gambar 2.11 Prinsip Kerja Sensor Ultrasonic......................................................19
Gambar 2.12 Blok Diagram Pemancar.................................................................19
Gambar 2.13 Blok Diagram Penerima..................................................................20
Gambar 2.14 Flame Detector...............................................................................20
Gambar 2.15 Bentuk Fisik LCD 16x2................................................................21
Gambar 3.1 Robot Pemadam Api........................................................................25
Gambar 3.2 Diagram Robot Pemadam Api.........................................................25
Gambar 3.3 Sistem Minimum Atmega16............................................................27
Gambar 3.4 Rangkaian Driver Motor..................................................................28
Gambar 3.5 Skematik LCD.................................................................................28
Gambar 3.6 Baterai..............................................................................................29
Gambar 3.7 Rangkaian Regulator.......................................................................29
Gambar 3.8 Motor DC........................................................................................30
Gambar 3.9 Rangkaian Flame Detector..............................................................31
11
Gambar 3.10 Motor DC Kipas............................................................................31
Gambar 3.11 Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04......................................................31
Gambar 3.12 Flowchart Robot Pemadam Api...................................................32
Gambar 4.1 Hasil Akhir Pembuatan Robot Pemadam Api................................34
Gambar 4.2 Pengujian Flame Sensor.................................................................35
Gambar 4.3 Grafik Karakteristik Rangkaian Flame Sensor...............................36
Gambar 4.4 Program Penguji Rangkaian ADC.................................................37
Gambar 4.5 Grafik Data Flame Sensor Dengan Jarak Lilin..............................38
Gambar 4.6 Program Penguji Sensor Ultrasonik...............................................39
Gambar 4.7 Pengujian Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04......................................39
Gambar 4.8 Hubungan Jarak Terhadap Tegangan.............................................40
Gambar 4.9 Rangkaian Pengujian PWM Terhadap Nilai Tegangan.................41
Gambar 4.10 Hubungan Nilai PID Terhadap Nilai PWM................................44
Gambar 4.11 Arena Pengujian Robot Pemadam Api.......................................45
12
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Konfigurasi Pengujian H-Brigde Mosfet..............................................18
Tabel 2.2 Operasi Dasar LCD...............................................................................21
Tabel 4.1 Pengujian Rangkain Flame Sensor........................................................35
Tabel 4.2 Pengujian Rangkaian ADC...................................................................37
Tabel 4.3 Pengujian Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04 Dengan Multitester.............40
Tabel 4.4 Pengujian PWM Terhadap Nilai Tegangan...........................................42
Tabel 4.5 Hubungan Nilai PID Terhadap Nilai PWM..........................................43
14
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi saat ini begitu pesat, demikian pula dengan
perkembangan teknologi elektronika. Robotika merupakan bukti peradaban
manusia yang semakin maju dari waktu ke waktu. Wujud robot bukan hanya
sebuah bentuk yang menyerupai manusia atau binatang tertentu, melainkan
bergerak menyerupai bentuk yang ditirunya.
Kemampuan robot dalam menyelesaikan misinya sangat diperhitungkan,
untuk itu diperlukan sistem navigasi yang handal sehingga dapat menunjang
kinerja optimum robot. Pengontrolan robot tidak lepas dari suatu sistem kendali
yang dapat mengolah sinyal yang diterima agar menjadi suatu perintah yang dapat
menggerakan robot dan melakukan tugas sesuai dengan yang diinginkan.
Sistem kontrol dibutuhkan untuk memperbaiki tanggapan sistem dinamik
agar didapat sinyal keluaran seperti yang diinginkan. Sistem kontrol yang baik
mempunyai tanggapan yang baik terhadap sinyal masukan yang beragam. Dalam
perancangan sistem kontrol ini diperlukan gambaran tanggapan sistem dengan
sinyal masukan dan aksi pengontrolan yang meliputi : (1) Tanggapan sistem
terhadap masukan, (2) Kestabilan sistem yang dirancang, (3) Tanggapan sistem
terhadap berbagai jenis aksi pengontrolan.
Robot diciptakan untuk memudahkan manusia dalam menyelesaikan
masalah, contohnya dalam memadamkan api atau kebakaran. Resiko yang
ditanggung oleh tim pemadam kebakaran sangat tinggi, untuk itulah diciptakanlah
robot pemadam api untuk membantu manusia dalam pekerjaan ini.
Berdasarkan permasalahan tersebut, pada penelitian ini akan
dikembangkan “Perancangan Robot Pemadam Api Menggunakan Kontrol PID”
untuk menghasilkan navigasi yang efisien dalam mencapai target titik api yang
akan dipadamkan.
15
1.2 Perumusan Masalah
1. Bagaimana menerapkan algoritma PID pada robot otomatis sehingga dapat
menghasilkan sistem navigasi yang baik?
2. Bagaimana proses robot mencari sumber api?
3. Bagaimana proses robot memadamkan api?
1.3 Batasan Masalah
1. Hanya merancang prototype robot beroda pemadam api.
2. Sensor ultrasonik sebagai alat navigasi pada robot pemadam api.
3. Algoritma yang digunakan untuk mengontrol robot otomatis adalah
algoritma kendali menggunakan metode PID.
4. Proses navigasi robot menggunakan teknik wall following.
5. Api yang akan dipadamkan robot adalah api lilin.
6. Flame detector sebagai alat pendeteksi api.
1.4 Tujuan Penelitian
1. Merancang sebuah prototype robot pemadam api yang dapat mencari dan
memadamkan sumber api.
2. Merancang sebuah sistem kendali navigasi robot pemadam api.
3. Mengaplikasikan sistem pengontrolan PID.
16
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Pustaka
1. Pada hasil penelitiannya [1], robot bergerak maju dan mampu menghindari
tabrakan dengan benda yang terdapat di depannya. Robot mampu mengitari
ruangan dengan mengikuti dinding yang terdapat disebelah kirinya, tetapi
robot bergerak secara zig-zag sehingga perpindahannya lambat. Robot belum
mampu memadamkan lilin yang berhasil dideteksinya dengan baik karena
masih terdapat kekurangan dari sisi perangkat keras dan perangkat lunak.
2. Pada hasil penelitian [2], kondisi area yang akan digunakan sudah
ditentukan terlebih dahulu, hal ini disebabkan robot hanya dilengkapi satu
buah sensor ultrasonik dan 2 buah LDR dengan kemampuan yang sangat
terbatas. Secara teori, sensor ultrasonik menghasilkan pancaran dengan sudut
lebih besar dari 30 °. Tetapi pada kenyataanya, ketika sudut yang dibentuk
sensor dengan dinding memiliki deviasi lebih dari 15° (diukur dari sudut 90°),
sensor ultrasonik sudah tidak dapat mendeteksi pantulan dari dinding
tersebut.
Pengujian dilakukan di dalam ruangan dengan pencahayaan yang
mendekati homogen, hal ini dilakukan karena pengujian di luar ruangan
dengan sumber cahaya yang banyak akan menyebabkan proses pendeteksian
dan pengukuran kekuatan cahaya menjadi tidak efektif karena mekanisme
pencarian titik api hanya bergantung pada kedua LDR, mekanisme pengujian
dengan cara mengamati data pada PWM pada layar PC kemudian mengubah-
ubah posisi lilin secara acak sebanyak 8 buah kondisi yang mungkin akan
muncul ketika robot dijalankan.
Pengujian dilakukan secara empiris dengan memberikan perlakuan dan
penempatan posisi lilin yang berbeda sampai didapatkan hasil selisih yang
mewakili tiap – tiap rentang data. Berdasarkan hasil pengujian, aturan –
aturan yang telah dibuat sudah menghasilkan kinerja robot yang memuaskan,
17
akan tetapi kinerja robot juga sangat tergantung pada kondisi lingkungan
dimana robot di jalankan, kondisi ruangan dengan pecahayaan yang kuat dan
heterogen akan sangat mengganggu kinerja robot dalam pergerakannya
menuju titik api. LDR yang dirangkai dengan konfigurasi pembagi tegangan
menghasilkan keluaran tegangan yang tidak linier untuk setiap kenaikan
intensitas cahaya yang mengenai permukaan LDR.
3. Pada hasil penelitian [3], telah berhasil menyelesaikan studi kasus search-
and-safe pada lingkungan yang tertutup dan terbatas. Penerapan adopsi
algoritma searching tree dengan metode heuristic dan pruning diharapkan
dapat digunakan pada kehidupan yang sebenarnya. Akan tetapi, masih banyak
hal yang harus dilakukan sebelum hal tersebut dapat direalisasikan.
Penelitian ini masih memiliki beberapa keterbatasan yang diharapkan
dapat diselesaikan pada tahap pengembangan yang selanjutnya. Selain masalah
keterbatasan perangkat keras, serta ukuran dan kondisi lingkungan yang
digunakan, metode algoritma searching tree dengan heuristic dan pruning
masih menggunakan asumsi bahwa kemungkinan konfigurasi lingkungan
diketahui sebelumnya. Pada kenyataannya, dalam kehidupan yang sebenarnya
kemungkinan konfigurasi lingkungan bersifat tidak terbatas dan beragam.
Selain itu, pada penelitian ini konfigurasi lingkungan yang digunakan
berbentuk lorong-lorong atau model labirin dengan dinding sebagai
rintangannya. Hal ini dimaksudkan untuk memudahkan masalah persepsi robot
otonom untuk mendapatkan informasi yang akan diperlukan selama proses
pembangunan peta internal. Dalam kehidupan sehari-hari kenyataannya masih
banyak terdapat rintangan lain yang dapat menghalangi pergerakan robot
otonom.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Pengertian Sistem Kontrol
Kontrol otomatik telah memainkan peranan penting dalam sains dan
rekayasa modern. Disamping untuk kepentingan khusus seperti space-vehicle
system, missile-guidance system, robotic system, kontrol otomatik telah menjadi
bagian integral yang penting dalam manufaktur modern dan proses industri.
Sebagai contoh, kontrol otomatik merupakan esensi dalam numerical kontrol
18
mesin-mesin presisi pada industri manufaktur, desain sistem auto pilot pada
industri penerbangan, desain mobil dalam industri otomotif. Juga dapat diterapkan
pada operasi-operasi industri seperti mengontrol tekanan, temperatur,
kelembaban, viskositas, aliran dalam proses industri [4].
Beberapa istilah yang banyak digunakan:
a. Controlled Variable: kuantitas atau kondisi yang diukur dan dikontrol
b. Manipulated Variable: Kuantitas atau kondisi yang divariasikan oleh
pengontrol sehingga mempengaruhi variable yang dikontrol. Biasanya variable
yang dikontrol adalah output dari sistem. Kontrol dapat berarti mengukur
controlled variable dari sistem dan menerapkan manipulated variable pada
sistem untuk mengoreksi dan membatasi deviasi harga terukur (output) dari
harga yang diinginkan.
c. Plant: Obyek yang akan dikontrol
d. Proses: Operasi dan pengembangan kontinu yang ditandai oleh perubahan
gradual dari variablenya dengan cara tertentu sehingga sampai pada suatu hasil
atau keadaan tertentu.
e. Sistem: Kombinasi dari berbagai komponen yang beraksi bersama-sama dan
menghasilkan suatu perfomansi tertentu.
f. Gangguan: Sinyal yang mempengaruhi sistem sehingga mempengaruhi harga
output dari harga yang diinginkan.
2.2.2 Open-loop Control System[5]
Sistem dimana outputnya tidak mempengaruhi aksi kontrol. Pada sistem
ini tidak dilakukan perbandingan antara sinyal output dan input. Performansi dan
akurasi dari aksi kontrol sistem ini tergantung dari kalibrasi sistem. Jika terdapat
gangguan maka sistem tidak dapat mengantisipasinya sehingga harus
dikalibrasikan ulang. Sebagai contoh, sistem kontrol yang berbasiskan setting
waktu adalah sistem kontrol open-loop.
2.2.3 Closed-loop Control System
Sistem kontrol umpan balik merupakan sistem yang menggunakan
hubungan antara output dan input yang diinginkan dengan cara
membandingkannya. Hasil perbandingan ini merupakan deviasi yang digunakan
19
sebagai alat kontrol. Actuating error signal yang merupakan perbedaan antara
input dan feedback (dapat berupa output itu sendiri atau fungsi dari output seperti
turunan atau integralnya), akan diumpankan ke pengontrol. Pengontrol akan
mengurangi error dan membawa sistem pada keadaan yang diinginkan (output
sesuai dengan input yang diinginkan). Jadi output akan mempengaruhi aksi
kontrol.
Pengontrol otomatik akan mendeteksi sinyal error (deviasi antara output
dan set point), error sinyal ini berupa low level power sehingga perlu dikuatkan
dengan amplifier. Kontroler memproses sinyal error dan menghasilkan sinyal
aktuasi yang merupakan aksi kontrol sebagai tanggapan dari error. Aksi kontrol
menggerakan aktuator dan diterapkan pada plant sehingga dihasilkan output.
Elemen sensor akan melihat atau mengukur hasil output dan mengkonversikannya
ke variabel yang sesuai dengan input referensi.
Kedua variabel ini dibandingkan dan menghasilkan sinyal error. Iterasi ini
akan berlangsung terus sampai didapatkan kondisi bahwa error menjadi minimum
atau dengan kata lain, output sudah sesuai dengan input referensi yang diinginkan.
Gambar 2.1 adalah blok diagram sistem kontrol umpan balik.
Gambar 2.1 Diagram Sistem Kontol PID [5]
∑
P Kpe(t)
I 퐾푖 ∫ 푒(푡)푑푡
D 퐾푑 ( )
∑ Plant/Proses
u(t) e(t) +
+
+ +
-
y(t)
Sensor
20
2.2.4 Aksi Kontrol Dasar
Aksi kontrol dikenal juga dengan sinyal kontrol yang beraksi berdasarkan
error. Aksi kontrol ini berusaha mereduksi error seperti yang dijelaskan
sebelumnya.
2.2.4.1 Aksi Kontrol Proportional
Kontrol proportional tidak lain adalah amplifier dengan penguatan sebesar
Kp. Kata proportional mempunyai arti bahwa besarnya aksi kontrol sesuai dengan
besarnya error dengan faktor pengali tertentu.
Hubungan antara sinyal kontrol dan error adalah:
U(t) = Kpe(t) (2.1)
Fungsi transfer dalam s:
( )( )
= Kp (2.2)
2.2.4.2 Aksi Kontrol Integral
Pada pengontrolan ini, Kecepatan perubahan sinyal kontrol sebanding
dengan sinyal error.
( ) = Kie(t), u(t) = Ki ∫ e(t)dt (2.3)
Fungsi transfer dalam domain s:
( )( ) = (2.4)
Jika e(t) diduakalikan, maka kecepatan perubahan u(t) adalah dua kali
semula. Selama sinyal error masih ada, maka sinyal kontrol akan beraksi terus.
Ketika sinyal error nol, u(t) tetap stasioner. Dengan demikian, aksi kontrol
integral akan menghilangkan steady state error. Artinya output sistem akan selalu
mengejar set point sedekat mungkin. Aksi kontrol integral sering disebut
automatic reset control. Kerugian dari aksi control ini adalah terjadi osilasi
sehingga mengurangi kestabilan sistem.
21
2.2.4.3 Aksi Kontrol Proportional + Integral
u(t) = Kpe(t) + ∫ e(t)dt (2.5)
Fungsi transfer dalam domain s:
( )( )
= Kp 1 + = Kp + (2.6)
dengan :
= Ki (2.7)
Kp adalah gain proporsional, Ti adalah integral time. Integral time
mengatur aksi kontrol integral sedangkan Kp akan mempengaruhi baik bagian
integral maupun proporsional. Kebalikan dari Ti disebut reset rate yang artinya
jumlah waktu per menit dimana bagian proportional dari aksi kontrol diduplikasi.
2.2.4.4 Aksi Kontrol Proportional + Derivative
u(t) = Kpe(t) + KpTd ( ) (2.8)
Fungsi transfer domain s:
( )( )
= Kp(1 + Tds) = Kp + Kds (2.9)
dengan:
KpTd = Kd (2.10)
Td adalah derivative time. Aksi kontrol derivative sering disebut rate
control karena kecepatan perubahan error sebanding dengan sinyal kontrol.
Artinya, apabila ada perubahan error, maka sinyal kontrol beraksi. Aksi sinyal
kontrol ini memberikan respon terhadap perubahan sinyal error dan mampu
mengoreksinya sebelum error bertambah besar. Aksi kontrol ini mampu
mengantisipasi error, mempercepat respon sistem dan meningkatkan stabilitas
sistem. Dengan demikian, apabila ada gangguan tiba-tiba, output akan berubah
secara tiba-tiba menjauhi set point, menghasilkan perubahan error.
Perubahan error yang tiba-tiba akan menghasilkan sinyal kontrol
antisipasi sebelum error bertambah besar dan berusaha mengembalikan ke
keadaan steady. Kekurangan dari aksi ini adalah terdapat steady state error karena
error yang konstan tidak akan menghasilkan sinyal kontrol (sistem yang sudah
steady tidak menghasilkan aksi kontrol walaupun jauh dari set point).
22
2.2.4.5 Aksi Kontrol Proportional + Integral + Derivative
Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P
(Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki
kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara dapat
bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol
PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan
sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diiginkan[6].
Aksi kontrol gabungan ini menghasilkan performansi serta keuntungan
gabungan dari aksi kontrol sebelumnya. PID mempunyai karakteristik reset
control dan rate control yaitu meningkatkan respon dan stabilitas sistem serta
mengeliminasi steady state error. Untuk mengetahui bentuk respon keluaran yang
akan menjadi target perubahan dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Jenis Respon Keluaran [7]
Kombinasi dari ketiga aksi kontrol:
Vo = Kp. e(t) + Ki∫ e(t)dt + Kd ( ) (2.11)
Dari persamaan 2.11 dapat dirumuskan menjadi pen-digitalization PID
dengan berbagai metode, Sehingga diperoleh bentuk digital diskritnya menjadi
persamaan 2.12.
u(k) = K e + K T∑ e + K (e − e ) (2.12)
Jika kita terapkan dalam bahasa pemrograman menjadi persamaan 2.13.
23
Vo = Kp × 푒푟푟표푟 + Ki × (푒푟푟표푟 + 푙푎푠푡_푒푟푟표푟) × Ts + × (푒푟푟표푟 −
푙푎푠푡 _ 푒푟푟표푟) (2.13)
dengan :
Ts = time sampling
error = nilai kesalahan
last_error = nilai error sebelumnya.
Deviasi atau simpangan antar variabel terukur (PV) dengan nilai acuan
(SP) disebut error (galat) sehingga dirumuskan pada persamaan 2.14.
퐸푟푟표푟 = 푆푃 − 푃푉 (2.14)
Nilai error dari pembacaan sensor ini yang dijadikan aksi perhitungan
kendali PID, lalu nilai perhitungan PID tersebut dijumlahkan dengan set point
PWM untuk dijadikan sebagai nilai aktual PWM motor dari robot.
2.2.5 Mikrokontroler
Mikrokontroler AVR Merupakan pengontrol utama standar industri dan
riset saat ini. Hal ini dikarenakan berbagai kelebihan yang dimilikinya
dibandingkan mikroprosesor, antara lain murah, dukungan software dan
dokumentasi yang memadai, dan memerlukan komponen pendukung yang sangat
sedikit. Salah satu tipe mikrokontroler AVR untuk aplikasi standar yang memiliki
fitur memuaskan ialah Atmega8535/16 atau ATtiny13 [8].
Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori,
peripheral, dan fiturnya Seperti mikroprosesor pada umumnya, secara internal
mikrokontroler ATMega16 terdiri atas unit-unit fungsionalnya Arithmetic and
Logical Unit (ALU), himpunan register kerja, register dan dekoder instruksi, dan
pewaktu serta komponen kendali lainnya. Berbeda dengan mikroprosesor,
mikrokontroler menyediakan memori dalam chip yang sama dengan prosesornya.
2.2.5.1 Mikrokontroler AVR Atmega16 [8]
Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur 8 bit, dimana semua instruksi
dikemas dalam kode 16 bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu
siklus clock. AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing),
sedangkan seri MCS51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing).
Di dalam Mikrokontroler Atmega16, sudah terdiri dari:
24
1. Memiliki kapasitas Flash memori 16 KB, EEPROM 512 byte, dan
SRAM 1 KB.
2. Saluran I/O 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D.
3. CPU yang terdiri dari 32 buah register.
4. User interupsi internal dan eksternal
5. Port antarmuka SPI dan Port USART sebagai komunikasi serial
6. Fitur Peripheral
a. Dua buah 8-bit timer/counter dengan prescaler terpisah dan mode
Compare
b. Satu buah 16-bit timer/counter dengan prescaler terpisah, mode
compare, dan mode capture
c. Real time counter dengan osilator tersendiri
d. Empat kanal PWM dan Antarmuka komparator analog
e. 8 kanal, 10 bit ADC
f. Byte-oriented Two-wire Serial Interface
g. Watchdog timer dengan osilator internal
Jika dilihat lebih detail, pada bagian pemrosesan mikrokontroler ini
terdapat unit CPU utama untuk memastikan eksekusi program. Konsep ini
memungkinkan instruksi-instruksi dieksekusi pada setiap siklus clock terlihat
seperti Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Arsitektur Mikrokontroler AVR
25
Fast access Register File berisi 32x8 bit register keperluan umum dengan
waktu akses hanya membutuhkan sebuah siklus detak. Teknik ini membuat
operasi ALU hanya membutuhkan 1 siklus. Lebih dasyat lagi, 6 dari 32 register
dapat digunakan sebagai 3 buah 16 bit indirect address register pointer untuk
pengalamatan ruang data. Satu address pointer dapat digunakan sebagai address
pointer untuk look up table pada memori flash program. Setiap alamat memori
program berisi instruksi sebesar 16 atau 32 bit.
Pada mikrokontroler AVR ATmega 16, pin PD0 dan PD1 digunakan
untuk komunikasi serial USART (Universal Synchronous and Asynchronous
Serial Receiver and Transmitter) yang mendukung komunikasi Full duplex
(Komunikasi 2 arah).
Konfigurasi pin mikrokontroler Atmega16 dengan kemasan 40. Dari
Gambar 2.4 dapat terlihat ATMega16 memiliki 8 Pin untuk masing-masing Port
A, Port B, Port C, dan Port D.
Gambar 2.4 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATMega 16
Deskripsi Mikrokontroler ATMega16
a. VCC merupakan pin masukan positif catu daya dan biasanya selalu ada ic
regulator 7805.
b. GND sebagai pin Ground
c. Port A (PA7..PA0) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram
sebagai pin masukan ADC.
26
d. Port B (PB7..PB0) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,
yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI.
e. Port C (PC7..PC0) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus
yaitu TWI, komparator analog, dan Timer Osilator.
f. Port D (PD7..PD0) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,
yaitu komparator analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial.
g. Reset merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler.
h. XTAL1 dan XTAL2 sebagai pin masukan clock eksternal.
i. AVCC adalah pin penyedia tegangan untuk Port A dan Konverter A/D.
j. AREF adalah pin referensi analog untuk konverter A/D.
2.2.6 Sistem Gerak Robot
Robot berdasarkan mobilitasnya terbagi dua kelompok. Kelompok yang
pertama merupakan robot yang dioperasikan pada lingkungan yang tetap dengan
pergerakan yang cendrung tetap dan tertentu (stationary robot). Pada kelompok
yang kedua, robot dapat bergerak secara otonomi, memiliki navigasi dan
pergerakannya tidak tetap, tergantung dari medan jelajah (dikenal dengan mobile
robot).
Robot beroda (wheel robot) dapat dibagi menurut sistem penggeraknya,
yaitu sistem gerak differential drive, tricyle drive, syncronous drive dan
holonomic drive [9]. Pada Gambar 2.5 merupakan contoh mobile robot yang
bergerak menggunakan roda (wheel robot).
Gambar 2.5 Mobile robot yang bergerak menggunakan roda (wheel robot)
27
1. Differential Drive
Sistem gerak differential drive terdiri dari dua buah roda yang
terpasang pada kiri dan kanan robot, sistem ini memungkinkan robot
berputar di tempat dengan cara memutar motor dengan arah berlawanan
dapat dilihat pada Gambar 2.6. Contoh sistem gerak ini pada kehidupan
sehari-hari adalah pada gardan belakang mobil dan mainan mobil radio
kontrol (RC).
Gambar 2.6 Sistem gerak differential drive
2. Trycle Drive
Trycyle drive merupakan sistem gerak dengan tiga buah roda. Dua
buah roda dengan satu poros dihubungkan pada sebuah motor penggerak,
sedangkan sebuah roda diberlakukan sebagai kemudi yang dapat berputar
(setir kemudi), ketika berbelok akan didapatkan radius sepanjang titik
pertemuan antara roda depan dengan roda belakang dapat dilihat pada
Gambar 2.7. Contoh sistem gerak ini pada kehidupan sehari-hari adalah
alat transportasi becak dan bajaj.
Gambar 2.7 Sistem gerak Trycyle drive
28
3. Syncronous Drive
Syncronous Drive adalah sistem yang menggunakan semua roda
yang terdapat pada robot untuk dapat bergerak. Pada saat robot berjalan
pada permukaan yang tidak rata, maka roda yang terpengaruh pada
permukaan yang tidak rata akan didukung oleh roda yang tidak
terpengaruh, sehingga robot bergerak dengan arah yang tetap dapat dilihat
pada Gambar 2.8. Contoh sistem gerak ini pada kehidupan sehari-hari
adalah pada trolly pasar swalayan.
Gambar 2.8 Sistem gerak Syncronous drive
4. Holonomic Drive
Holonomic drive adalah sistem gerak yang memungkinkan robot
bergerak ke segala arah (dengan penggunaan roda omni-directional), pada
gambar 2.9 konfigurasi ini memungkinkan gerakan rotasi dan translasi
pada mobile robot.
Gambar 2.9 Roda sistem gerak Holonimic drive
M
M
M
M
M
M M
29
2.2.7 Arsitektur Robot [10]
Robot sederhana biasanya umumnya memiliki empat blok utama, yaitu:
1. Kontroler
Kontroler merupakan pengendali sistem secara keseluruhan dimana
masukan berupa analog diolah menjadi proses digital, kontroler mengatur
semua kinerja sistem higga menjadi kesatuan yang saling bekerja sama.
Kontroler terdiri atas input, proses data dan ouput.
2. Blok Sensor dan Pengkondisian Sinyal
Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi dan sering berfungsi
untuk mengukur nilai sesuatu. Sensor termasuk jenis tranduser yang
digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia
menjadi tegangan dan arus listrik
Blok ini berfungsi mendeteksi objek atau sinar yang dideteksi oleh sensor,
lalu dikirim ke pengkondisi sinyal sehingga outputnya yang dapat diolah oleh
rangkaian driver motor, atau diolah terlebih dahulu menggunakan
mikroprosesor atau mikrokontroler untuk robot yang lebih komplek.
3. Blok Driver Motor
Blok ini merupakan bagian pengontrol motor yang mengatur putaran
motor, arah putaran motor dan kecepatan motor. Blok ini akan mengaktifkan
motor dc jika menerima input berlogika tinggi dan pengkondisian sinyal.
Biasanya menggunakan IC atau transistor.
4. Aktuator
Merupakan alat yang digunakan untuk sistem pergerakan robot. Biasanya
motor merupakan penggerak yang paling sering ditemukan pada sebuah
robot, motor yang banyak digunakan adalah motor servo, stepper dan motor
dc.
5. Catu Daya
Merupakan rangkaian penyedia daya bagi semua blok yang membutuhkan
catu daya. Catu daya untuk mikrokontroler adalah tegangan searah (DC).
30
2.2.8 Motor DC
Motor DC adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah tenaga
listrik arus searah menjadi gerak atau energi mekanik. Konstruksi dasar motor dc
terdiri dari 2 bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang
berputar atau armature, berupa koil dimana arus listrik dapat mengalir. Stator
adalah bagian yang tetap dan menghasilkan medan magnet dari koilnya [11].
Prinsip kerja motor dc adalah jika ada kumparan dilalui arus maka pada
kedua sisi kumparan akan bekerja gaya Lorentz [12]. Aturan tangan kiri dapat
digunakan untuk menentukan arah gaya Lorentz, dimana gaya jatuh pada telapak
tangan, jari-jari yang direntangkan menunjukan arah arus, ibu jari yang
direntangkan menunjukan arah gaya. Kedua gaya yang timbul merupakan sebuah
kopel. Kopel yang dibangkitkan pada kumparan sangat tidak teratur karena kopel
itu berayun antara nilai maksimum dan nol.
Dengan mengacu pada hukum kekekalan energi, energi listrik dapat
diperoleh dari hasil penjumlahan energi mekanik, energi panas, dan energi
didalam medan magnet. Didalam medan magnet akan dihasilkan kumparan medan
dengan kerapatan fluks sebesar B dengan arus I serta panjang konduktor sama
dengan L sehingga diperoleh Persamaan 2.15.
F = B. I. L (2.15)
Untuk motor DC yang mempunyai jari-jari sepanjang r maka hubungan
persamaan diperoleh pada Persamaan 2.16.
F = B. I. L. r (2.16)
a. H-Bridge MOSFET:
H-bridge adalah sebuah perangkat keras berupa rangkaian yang berfungsi
untuk menggerakkan motor. Rangkaian ini diberi nama H-bridge karena bentuk
rangkaiannya yang menyerupai huruf H. Rangkaian H-Brigde ini sendiri telihat
seperti pada Gambar 2.10.
31
Gambar 2.10 Konfigurasi H-Bridge MOSFET
Rangkaian ini terdiri dari dua buah MOSFET kanal P dan dua buah
MOSFET kanal N. Prinsip kerja rangkaian ini adalah dengan mengatur mati-
hidupnya ke empat MOSFET tersebut. Huruf M pada gambar adalah motor DC
yang akan dikendalikan. Bagian atas rangkaian akan dihubungkan dengan sumber
daya kutub positif, sedangkan bagian bawah rangkaian akan dihubungkan dengan
sumber daya kutub negatif. Pada saat MOSFET A dan MOSFET D onsedangkan
MOSFET B dan MOSFET C off, maka sisi kiri dari gambar motor akan terhubung
dengan kutub positif dari catu daya, sedangkan sisi sebelah kanan motor akan
terhubung dengan kutub negatif dari catu daya sehingga motor akan bergerak
searah jarum jam. Sebaliknya, jika MOSFET B dan MOSFET C on sedangkan
MOSFET A dan MOSFET D off, maka sisi kanan motor akan terhubung dengan
kutub positif dari catu daya sedangkan sisi kiri motor akan terhubung dengan
kutub negatif dari catu daya. Maka motor akan bergerak berlawanan arah jarum
jam.
b. Konfigurasi Pengujian H-bridge MOSFET
Tabel 2.1 Konfigurasi Pengujian H-Brigde MOSFET
A B C D Aksi
1 0 0 1 Motor berputar searah jarum jam
0 1 1 0 Motor berputar berlawanan arah jarum jam
0 0 0 0 Bebas
0 0 1 1 Pengereman
1 1 0 0 Pengereman
32
2.2.9 Sensor Ultrasonik
Sensor ultrasonik banyak digunakan sebagai sensor jarak karena jarak
dideteksi yang lebih jauh dibandingkan IR. Kelebihan dari sensor ini
dibandingkan sensor lain seperti SRF 04 adalah hanya membutuhkan 1 jalur data
dan adanya led indikator untuk memudahkan mendeteksi apakah sensor bekerja
atau tidak [11]. Terlihat pada Gambar 2.11 cara kerja sensor ultrasonik yang
bekerja pada frekuensi 40 kHz.
Gambar 2.11 Prinsip Kerja Sensor Ultrasonik
Sensor ini dapat dihubungkan dengan berbagai mikrokontroler dengan
catuan tegangan 5 V. Mikrokontroler harus mengirimkan pulsa (chip) dengan
fungsi PULSOUT ke sensor ini terlebih dahulu untuk memulai pengukuran, lalu
akan ada sinyal echo yang dikirim balik dari hasil pantulan ke sensor penerima.
Sinyal PULSIN dari mikrokontroler mengukur waktu antara perubahan logika
high dan low dan menyimpannya pada sebuah variabel.
Ada dua bagian dari sensor ultrasonik, yaitu:
1. Pemancar (TX)
Pemancar berfungsi untuk memancarkan sinyal yang keluar dari
mikro.
Gambar 2.12 Blok Diagram Pemancar
Sinyal dari mikro Transducer ultrasonic
Pembangkit frekuensi 40
KHz
33
2. Penerima (RK)
Penerima berfungsi untuk menguatkan sinyal pantulan dan
mendeteksi keberadaan sinyal pantulan itu dengan menyatakan pada
kondisi logika ‘1’ atau ‘0’. Sebelum masuk sebagai input mikro, sinyal
terlebih dahulu dikuatkan.
Gambar 2.13 Blok Diagram Penerima
2.2.10 Sensor Pendeteksi Api (Flame Detector)
Flame Detector merupakan sebuah sistem sensor cerdas yang mampu
mendeteksi posisi nyala api dengan ketelitian tinggi (hingga nyala api sekecil
cahaya lilin). Sistem ini terdiri dari sebuah sensor photodioda yang didesain untuk
mendeteksi api dan sebuah modul berbasis mikrokontroler yang digunakan untuk
mengatur kerja motor dc, mengambil sampling data sensor, dan mengatur
antarmuka dengan sistem lain terlihat pada Gambar 2.14. Salah satu aplikasi
Flame detector adalah robot pemadam api.
Gambar 2.14 Flame Detector
2.2.11 LCD 16x2
LCD merupakan salah satu perangkat penampil yang sekarang ini mulai
banyak digunakan. Penampil LCD mulai dirasakan menggantikan fungsi dari
penampil CRT (Cathode Ray Tube), yang sudah berpuluh-puluh tahun digunakan
manusia sebagai penampil gambar/textbaik monokrom (hitam dan putih), maupun
yang berwarna. Teknologi LCD memberikan lebih keuntungan dibandingkan
Transducer ultrasonic
Driver Ke mikro Penyearah Penguat bertingkat
34
dengan teknologi CRT, karena pada dasarnya CRT adalah tabung triode yang
digunakan sebelum transistor ditemukan [13]. Beberapa keuntungan LCD
dibandingkan dengan CRT adalah konsumsi daya yang relatif kecil, lebih ringan,
dan tampilan yang bagus, terlihat pada Gambar 2.15.
LCD memanfaatkan silikon atau galium dalam bentuk kristal cair sebagai
pemendar cahaya. Keunggulan lcd adalah hanya menarik arus yang kecil
(beberapa mikro ampere), sehingga alat atau sistem menjadi portable karena dapat
menggunakan catu daya yang kecil. Keunggulan lainnya adalah tampilan yang
diperlihatkan dapat dibaca dengan mudah dibawah terang sinar matahari.
Dibawah sinar cahaya yang remang-remang atau dalam kondisi gelap, sebuah
lampu (berupa led) harus dipasang dibelakang layar tampilan.
Gambar 2.15 Bentuk Fisik LCD 16x2
Operasi dasar pada LCD terdiri dari empat, yaitu instruksi mengakses
proses internal, instruksi menulis data, instruksi membaca kondisi sibuk, dan
instruksi membaca data.
Tabel 2.2 Operasi Dasar LCD
RS R/W Operasi
0 0 Input Interuksi ke LCD
0 1 Membaca status flag (DB7) dan alamat counter (DB0 ke DB6)
1 0 Menulis Data
1 1 Membaca Data \
35
2.2.12 BASCOM (Basic Compiler) AVR
BASCOM-AVR adalah program basic compiler berbasis windows untuk
mikrokontroler keluarga AVR merupakan pemrograman dengan bahasa tingkat
tinggi ” BASIC ” yang dikembangkan dan dikeluarkan oleh MCS elektronika
sehingga dapat dengan mudah dimengerti atau diterjemahkan [14]. Dalam
program BASCOM-AVR terdapat beberapa kemudahan untuk membuat program
software, seperti program simulasi yang sangat berguna untuk melihat, simulasi
hasil program yang telah kita buat, sebelum program tersebut kita download ke IC
atau ke mikrokontroler.
Setiap bahasa pemprograman mempunyai standar penulisan program.
Konstruksi dari program bahasa BASIC harus mengikuti aturan sebagai berikut:
$regfile = “header” $Crystal =” “ ’inisialisasi variabel ’deklarasi variabel ’deklarasi konstanta Do ’pernyataan-pernyataan End if Loop End Defiinisi fungsi
36
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1. Metode Penelitian
3.1.1. Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan di lingkungan Gedung Laboratorium Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Bengkulu. Waktu pelaksanaan penelitian
dimulai pada bulan Desember 2013.
3.1.2. Metode Pembuatan
Pembuatan robot pemadam api dilakukan dengan cara membuat rangkaian
penghubung antara modul dan komponen dengan mikrokontroler dan sistem
pengendaliannya menggunakan pemrograman bascom AVR. Sensor yang
digunakan adalah flame detector yang dapat memberikan input ke mikrokontroler
berupa sinyal yang sudah dikonversikan ke bentuk data. Untuk proses pembuatan
dilakukan dengan cara mengeset satu persatu semua tata letak komponen.
3.1.3. Analisis Kinerja Robot Pemadam Api
Analisa kinerja dari robot pemadam api yang dirancang ini akan dilakukan
setelah diperoleh hasil pengujian. Analisa yang dilakukan meliputi analisa
kecepatan robot dalam mencapai sumber api, serta analisa performa dari sistem
pergerakan robot tersebut.
3.1.4. Alat dan Bahan Penelitian
Alat dan bahan yang digunakan dalam perancangan robot pemadam api ini
adalah sebagai berikut :
1. Sistem minimum ATMega16
2. Sensor Flame Detector
3. Motor gear box (motor DC)
4. Baterai
5. Kabel dan konektor rangkaian.
6. Achrylic
7. Downloader
8. Sensor ultrasonic Hc-SRO 04
37
3.1.5. Peralatan Pengujian
Dalam melakukan pengujian ini, digunakan peralatan-peralatan yang
tersedia di Laboratorium Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Bengkulu. Peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Multimeter Analog dan Digital
2. Alat ukur jarak
3. Stopwacth
4. Power supply
3.1.6. Tahapan Penelitian
Penelitian dimulai dengan tahapan merancang prototype robot pemadam
api yang meliputi perancangan bentuk kerangka, penempatan motor dc,
penempatan baterai, penempatan sensor dan penempatan perangkat elektronik.
Mengkonfigurasikan sensor, mikrokontroler, dan motor. Membuat software
untuk pengontrolan robot, respon sensor dan pergerakan putaran motor, serta
penentuan arah gerak robot terhadap sumber api.
Melakukan analisa dan pembahasan yang akan disesuaikan dengan hasil
pengujian yang diperoleh. Hasil akhir dari penelitian ini adalah perancangan robot
pemadam api dengan kendali otomatis yang dapat mendeteksi dan memadamkan
sumber api.
3.2. Rancangan Sistem
3.2.1. Rancangan Bentuk Fisik Robot
Robot dirancang dengan menggunakan achrylic yang memiliki dimensi
yang tidak terlalu besar dan ringan. Tujuan menggunakan achrylic ini karena
bahan ini memiliki struktur yang ringan dan kuat. Komponen mekanik, elektronik
dan power ditempatkan pada rangka dengan penempatan yang sesuai. Dudukan
menggunakan sasis RJC 4 x 4 dengan ukuran panjang 22.5 cm dan lebar 13.5 cm
dan rangka bagian atas dirancang menggunakan achrylic.
Susunan dari perancangan robot pemadam api yang akan dibuat dapat
dilihat pada Gambar 3.1.
38
Gambar 3.1 Robot Pemadam Api
Secara keseluruhan, robot pemadam api ini terbagi dalam beberapa blok
bagian, yaitu:
Gambar 3.2 Diagram Robot Pemadam Api
3.2.2. Rancangan Mekanik Robot
Hal mendasar yang perlu diperhatikan dalam desain mekanik robot adalah
perhitungan kebutuhan torsi untuk menggerakkan sendi atau roda. Motor sebagai
penggerak utama (prime-mover) yang paling sering dipakai, umumnya akan
bekerja optimal (torsi dan kecepatan putar paling ideal) pada putaran yang relatif
Sensor Ultrasonik Hc-Sro04
Flame Detektor
Mikrokontroler Atmega16 Driver
Motor
Motor Kanan
Motor Kiri Switch
Baterai
Kipas
39
tinggi dalam hal ini tidak sesuai bila porosnya dihubungkan langsung ke sendi
gerak atau roda, sebab kebanyakan gerakan yang diperlukan pada sisi anggota
badan robot adalah relatif pelan namun bertenaga.
Salah satu metode yang paling umum adalah menggunakan sistem gear
dimana robot digerakkan menggunakan motor gearbox atau disebut motor dc.
Membuat dan menggunakan dudukan tempat meletakkan perangkat hardware
berupa mikrokontroler yang ditempatkan di atas dudukan yang terbuat dari bahan
achrylic.
Penempatan motor, roda dan peralatan elektronik, serta sensor diatur
sedemikian rupa hingga untuk menunjang kinerja dari robot pemadam api yang
akan dibuat.
3.2.3 Rancangan Elektronik Robot
Dalam pengontrolan robot digunakan rancangan elektronik yang
menggunakan mikrokontroler sebagai otak. Flame detector yang digunakan
sebagai sensor pendeteksi api. Flame detector dihubungkan dengan perangkat
mikrokontroler sebagai input. Sensor ultrasonik digunakan sebagai sensor
pendeteksi jarak yang dihubungkan dengan perangkat mikrokontroler sebagai
input. Sebagai output, mikrokontroler akan memberi perintah kepada motor
gearbox atau motor dc untuk berputar mendekati sumber api dan memadamkan
sumber api .
3.2.3.1 Rancangan Sistem Minimum ATMega16
Pada sistem minimum kita dapat melihat fungsi dari port-port yang ada
pada mikrokontroler. Untuk mengontrol sistem keseluruhan digunakan
mikrokontroler ATMega16 yang diprogram untuk memproses kerja dari robot
pendeteksi sumber api.
ATMega16 memiliki pin ADC sehingga tidak memerlukan ADC
eksternal. Terlihat pada Gambar 3.3 Sistem Minimum Atmega16.
40
Gambar 3.3 Sistem Minimum Atmega16
3.2.3.2 Rangkaian Driver Motor
Pada penelitian kali ini digunakan driver mosfet yang berhubungan dengan
kaki mikrokontroler yaitu keempat port pada mikro yaitu kaki PD3-PD6. Fungsi
dari hubungan antara mikrokontroler dan driver adalah mikrokontroler memberi
pulsa PWM kepada driver yang kemudian akan mengatur kecepatan motor dc.
Digunakan driver motor karena arus yang keluar dari mikrokontroler tidak
mampu memenuhi kebutuhan kebutuhan dari motor dc. Untuk gambar rangkaian
dapat dilihat pada Gambar 3.4.
41
Gambar 3.4 Rangkaian Driver Motor
3.2.3.3 Rangkaian LCD
Rangkaian lcd berfungsi untuk menampilkan data pada mikrokontroler,
lcd yang digunakan adalah lcd 16 x 2. Untuk gambar skematik lcd dapat dilihat
pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Skematik LCD
3.2.4 Rancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat lunak merupakan hal yang penting, untuk
mengatur segala aktivitas robot pendeteksi sumber api yang dikendalikan oleh
mikrokontroler yang telah diprogram sesuai dengan kinerjanya. Dalam penelitian
ini digunakan pemrograman Bascom AVR sebagai bahasa program yang
digunakan.
42
3.2.5 Baterai
Untuk menyeimbangkan penggunaan motor, sensor dan berat keseluruhan
robot, digunakan jenis baterai Lipo yang memiliki bobot ringan dengan tegangan
11,1 V dan arus sebesar 2200mAh. Digunakan sebagai suplai untuk sensor, motor
dan mikrokontroler. Bentuk fisik baterai dapat dilihat pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Baterai Lipo
Untuk mensuplai tegangan mikrokontroler, sensor, dan motor digunakan
regulator pembagi tegangan sesuai dengan input yang dibutuhkan. Rangkaian
regulator dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian Regulator
Tegangan input dari baterai adalah 11,1 volt, maka dengan menggunakan
rangkaian regulator seperti pada Gambar 3.7. IC 7805 sesuai dengan
spesifikasinya dapat menurunkan tegangan menjadi 5 volt yang digunakan untuk
suplai ke rangkaian pengontrol, rangkaian sensor dan rangkaian penggerak.
3.2.6 Motor DC
Motor dc adalah motor yang digunakan sebagai penggerak robot dalam
bernavigasi dan berpindah tempat. Motor yang digunakan sebagai penggerak roda
adalah motor dc, motor dc memiliki kecepatan yang baik dan mudah
dikendalikan. Spesifikasi Motor dc sendiri adalah :
43
Vsuplai : 12 vdc
Arus : 3 A
Speed : 400 rpm
Torsi : 6.5 Kg.cm
Ratio gear : 1: 21
Dimensi body : panjang 6 cm x diameter 2 cm
Dimensi shaft : panjang 1 cm x diameter 0, 1 cm
Berat : 0, 2 Kg
Gambar 3.8 Motor DC
Pada robot pemadam api menggunakan dua motor dc sebagai pengerak
untuk roda, yaitu satu motor dc penggerak roda kanan dan satu motor dc
penggerak roda kiri. Untuk membalikan arah putaran motor dc yaitu dengan cara
membalikan sumber tegangan yang masuk ke motor dc untuk membalikan secara
otomatis yang dikendalikan oleh mikrokontroler maka diperlukan driver sebagai
pembalik putaran motor dc.
3.2.7 Sensor Flame Detector
Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya flame detector
merupakan sebuah sistem sensor cerdas yang mampu mendeteksi posisi nyala api
dengan ketelitian tinggi (hingga nyala api sekecil cahaya lilin) menggunakan
gabungan sensor mata api. Sistem ini terdiri dari sebuah sensor photodioda yang
didesain untuk mendeteksi mata api dan sebuah modul berbasis mikrokontroler
yang digunakan untuk mengatur kerja flame detector, mengambil sampling data
sensor, dan mengatur antarmuka dengan sistem lain.
44
Rangkaian flame detector yang akan dibuat terlihat pada gambar 3.9.
Gambar 3.9 Rangkaian flame detector
3.2.8 Kipas
Untuk proses memadamkan api digunakan motor dc 5 volt sebagai kipas.
Ukuran propeler yang digunakan dengan diameter 10 cm dan lebar 1 cm, terlihat
pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Motor DC Kipas
3.2.9 Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04
Sebagai sensor pendeteksi jarak digunakan sensor ultrasonic Hc-SRO 04.
Sensor jarak ini sendiri digunakan untuk mengetahui jarak depan, samping kanan
dan samping kiri robot, apakah ada halangan atau tidak. Sensor ultrasonic Hc-
SRO 04 terlihat pada gambar 3.11.
Gambar 3.11 Sensor Ultrasonic Hc-SRO 04
45
3.3 Flowchart
Dalam pembuatan program, terlebih dahulu dibuat alur kerja robot sehingga
lebih tertata dalam membuat program dan memahami program tersebut. Untuk
lebih jelas dapat dilihat flowchart kerja robot pada Gambar 3.12.
Tidak
Ya
Tidak
Ya
Gambar 3.12 Flowchart Robot Pemadam Api
Mulai
Wall Following
Deteksi Api
Apakah Api Sudah
Padam?
Padamkan Api
Selesai
Set Nilai Konstanta
PID
Data Tersimpan
46
Dari flowchart pada Gambar 3.12 dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Mulai dilakukan dengan cara menghidupkan tombol switch On/Off.
2. Robot akan mulai proses inisialisasi program yang akan dijalankan sebagai
sumber perintah.
3. Setting nilai PID dengan menentukan nilai error yang sudah disimpan.
4. Robot akan bergerak menyusuri dinding.
5. Jika api terdeteksi, robot akan berhenti, dan mulai memadamkan api sampai api
lilin benar-benar mati.
6. Setelah sumber api padam, proses selesai.